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高分辨率A/D器件AD7711A的性能特点、结构和应用分析

2020年08月11日 16:12 次阅读

在工业生产过程控制中经常需要对某些控制变量进行精确测量,然后通过微型计算机计算出校正量进行控制。传统的NYQUIST率ADC(如积分型、逐次比较型、闪烁型等)无法满足精度要求,美国ANALOG DEVICE公司最近推出的低价、高分辨率A/D器件AD7711A采用了Δ-∑原理,可实现高达24位的分辨率。由于Δ-∑原理采用了过采样、噪声成行和数字抽取等技术,可用较低的成本实现很高的分辨率,并且噪声小、抗干扰能力强,因此特别适合于低频率、高分辨率、宽动态范围的A/D转换。

1 AD7711A的主要特点

·高精度,24位无漏码,输出±0.0015%的非线性。

·采用Δ-∑转换结构,成本低、噪声小、抗干扰能力强。

·内置可编程增益放大器,增益范围1~128,可与传感器直接相连,输入为双通道,可切换。

·内置可编程数字低通滤波器

·内设自校准电路,有8种可选择校准模式,并可直接读写自校准寄存器,有效地去除了零点漂移和增益误差。

·低功耗(典型应用时为25mW)并有省电的待机模式。

·双向串行接口,可方便地与微处理机和DSP芯片连接。

内置的可编程增益放大器使AD7711A能直接和传感器相连。当参考电压为2.5V,内置放大器增益从1变到128时,可接受的信号范围由0~20mV变到0~2.5V(单端)。提供了RTD激励恒流源,简化了RTD测量温度的电路设计。AD7711A片内的24位可读写控制寄存器使微处理机或DSP芯片能方便的控制数字滤波器的截止频率、输入放大器增益、通道选择以及自校准模式。AD7711A的一般主时钟频率为10MHz,可用单或双电源供电。A/D 转换速率和数字滤波器的第一陷波处的频率相等(即可编程控制)。

2 AD7711A的内部结构

AD7711A的内部结构如图1,它包括一个Δ-∑ADC、数字滤波器、可编程放大、时钟发生器、24位控制/数据/校准寄存器、400μA恒流源。 AD7711A的引脚中SCLK为串行时钟输入端;MCLKIN和MCLKOU为主时钟频率的连接端;A0为寄存器地址选择,A0置低时选控制寄存器,置高时选数据或自校准寄存器;SYNC脚为数字滤波器复位端;MODE选择数据传输的时钟方式(外时钟或内时钟);AIN1+、AIN-、AIN2+、AIN2-分别为两路信号的输入端;SDATA为串行数据的输出/输入端;DRDY为A/D转换完成端,低电平有效;RFS、TFS分别为输入或输出帧同步端;IOUT为400μA恒流源的输出端,可用作RTD的激励电流;REFOUT为参考电压(2.5V输出端,REFIN-和REFIN+为外加参考电压输入端。AD7711A片内的数字滤波器为

第一陷波频率由控制寄存器中的第12~23位的值决定,数字滤波器的3dB截止频率为第一陷波频率的0.262倍,并等于A/D的转化速率。AD7711A的24位可读写控制寄存器的功能说明如表1。其中MSB为BITO,LSB为BIT23。

高分辨率A/D器件AD7711A的性能特点、结构和应用分析

3 AD7711A的应用

3.1 高精度橡胶硫化温控系统简介

橡胶的硫化是橡胶生产中的关键环节,整个硫化过程对温度的要求很高,从室温升高到设定温度的超调量不超过±0.3°C?硫化温度稳定在设定温度±0.3° C的范围内。当加料等其它干扰引起的温度变化时,系统稳定温度的重建时间要求在45秒内。本系统通过RTD测量硫化反应室的温度,通过PID调节器控制加热装置,从而达到对硫化温度的精确控制。传统的A/D转换器没法达到分辨率要求,因温度信号属于缓慢变化的信号,但AD7711A片内集成的高稳定性的 RTD激励恒流源使AD7711A成为理想的选择。图2为整个硫化温控系统框图。

3.2 AD7711A与单片机的接口

由于AD7711A的数据串行输出格式和8751单片机的串行格式相反,所以本设计中不使用8751的串行口,而采用P1口直接和AD7711A相连。P1.0与A0相连来选择寄存器,读写数据的时钟信号由P1.2给出,串行数据由P1.3读入或写出,和INT1相连,数据转换完毕后用中断方式激活数据读取程序。温度信号单端输入,另一通道用于测搅拌器的扭矩,用电桥平衡法测量。具体连接见图3。

3.3 AD7711A的读写时序和单片机代码

读写数据、控制、校准寄存器都通过SDATA数据线串行读写。数据A/D转换完毕后DRDY置低,引起中断,由A0选择数据寄存器,RFS置低使读取数据有效,每次SCLK上升沿时读一位数据。读写时序如图4。

读数据程序代码:

RD: SETB A0;读数据寄存器

SETB TFS;

CLR RFS;置0使数据有效

CLR SCLK;

MOV R1,#3;

RDD: MOV R2, #8;

RDDD: SETB SCLK;时钟置高

MOV C,SDATA;读1位

CLR SCLK;

RLC A;

DJNZ R2,RDDD;是否读完1BYTE

MOV R0,A@;数据存入@R0区

INC RO;

DJNZ R1,RDD;

写控制寄存器程序代码:

WR: CLR A0;写控制寄存器

SETB RFS;

CLR TFS;使写入数据有效

CLR SCLK;

MOV R1,#3;

WRR: MOV R2,#8

MOV A@R3;由@R区读数据

WRRR: RLC A;

MOV SDATA,C;

SETB SCLK;时钟置高

CLR SCLK;

DJNZ R2,WRRR;是否写完1 BYTE

INC R3;

DJNZ R1;WRR;

3.4 PID调节器PID控制结构如图5。Tr(K) 、T(K)分别为反应室温度的设定值和测量值。

 

式中e(k)——调节器输入偏差

Kp——对象放大倍数

KI——积分系数

KD——微分系数

系统的采样周期取1.2秒,输出u(k)为加热器在1.2秒采样时间内的加热器开启的时间,单位为毫秒。假设受控对象硫化室为一阶惯性加纯延迟环节,测出被控对象的临界增益和临界振荡周期,用Ziegler-Nicholes法整定PID参数,然后根据实验调节,求出符合实际的PID调节参数:

s4.gif (2137 字节)

在实际的PID调节中,由于每次采样周期中U的输出最大为1200ms,所以在PID调节控制中需要一些输出限幅,以及对积分项的分离控制。

3.5 结果分析

温度控制结果如图6,设定的温度为160℃进入稳态后波动幅度不超过±0.3℃。从图中看出温度控制精度很高,图中每一行格距离为0.1℃,t1时刻为加料的时间,扰动较少,幅度小于1℃,稳态重建时间<45秒。并且系统的超调量很小,整个系统精度达到很高的要求。该硫化温控系统由我校仪器系和上海化工机械四厂联合开发,经济效益良好。

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